1第一章 海上油气田开发工程电力系统设计总则.docx
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1第一章海上油气田开发工程电力系统设计总则
第四篇海上油气田开发工程仪电讯系统设计
第一章海上油气田开发工程电力系统设计总则
第一节电力系统设计概论
第二节电力系统设计的范围
第三节电力系统设计的原则
第四节电力系统设计在各阶段设计成果编制的内容和深度
第五节电力系统设计的基础条件及与其它专业的设计分工
第六节电力系统设计应遵循的规范与标准
第七节参考文献
第一章海上油气田开发工程电力系统设计总则
第一节电力系统设计概论
一.概述
本设计指南编写的目的：
主要是为从事海上油气田开发工程电气专业设计的工程技术人员在进行海洋工程电力系统设计时提供的实用性工具书，它将从海洋工程设计的角度出发,介绍电气专业在进行海上油气田开发工程电力系统设计工作的范围，内容和相关的理论等方面的知识；并在此基础上介绍电力系统设计时应该依据和遵照的规范，标准，设计步骤，电力系统计算的方法，规格书，图纸和数据表的编制方法，以及电气设备选型时应注意的事项等方面的内容。
二.电力系统简介
海上油气田开发工程的电力系统是指：
电能的产生，变换，传输，分配和消耗等全部设施和网络的总称。
这个系统将自然界的能源，比如：
天然气或原油，通过动力发电设备，比如：
柴油机，双燃料柴油机或双燃料燃气轮机等旋转机械设备的动能转换成电能，再通过变电，输电和配电，将电能分配给用电设备。
海上油气田开发工程设施上的发电机，主配电盘，电力变压器，各种不同电压等级的配电盘和用电设备，通过电缆连接成为一个完整的网络，这个网络称为电力网。
海上油气田开发工程设施上的电力系统可以是一个或几个在统一监控下运行的电源及与之相连接的电力网组成。
为确保电力系统的正常，安全和连续运行，它还担负着测量，监视，控制，保护和管理的作用，它是发电，变电，输电，配电和用电等设备协调运行的有机组合。
电力系统设计是海洋工程设计众多领域中的一个专业，随着我国沿海海上油田的开发和利用，海上油田规模在逐步扩大，海上油田电力系统的供电范围也在逐步扩大，它对电力系统设计的要求也越来越高，因此海上油气田开发工程电力系统设计的技术性能指标的合理性，实用性和规范化程度就显得非常重要了。
三.海上油气田开发工程设施上的电力系统设计的发展过程
海上油气田电力系统的早期设计是在船舶电力系统设计的基础上发展起来的，因为海上油气田开发工程的环境条件与船舶电气设备的条件基本上相同，比如：
独立电站和配电系统的设置；海上潮湿的环境，盐雾，油雾，霉菌，倾斜，摇摆，振动和冲击等对电气设备的运行和操作的影响。
在七十年代未，八十年代初中国海上石油工业刚起步的时候，没有现成的海上油气田开发工程设施电力系统设计的设计手册，规范和标准。
在进行海上油气田开发工程设施电力系统的设计时，参考的设计手册是船舶设计手册，遵照的规范和标准是“钢制海船入级与建造规范”和有关的船舶电气设备的标准。
海洋石油发展的初期，海上油田的规模不是很大，通常只有一个综合平台或者由一个综合平台与一，两个井口平台组成的平台群，因此电力系统的规模都比较小和简单，电站只有一，两台发电机组，装机容量通常不超过1000kW，电力系统的电压等级一般为交流400V和230V，以及直流24V。
随着中国海洋石油工业的发展，海上油田的规模逐步扩大，电站的规模也越来越大，海上油田群电力系统的最大装机容量已经超过了30MW，甚至于更大；电压等级从400V和230V发展到现在的3.3kV，6.3kV和10.5kV，甚至于35kV；主电站的供电范围从两个，三个井口平台发展到六个，七个，甚至更多的井口平台。
相比之下，船舶电站的装机容量都不是很大，只有300kW左右，一般不会超过500kW。
船舶电力系统的电压等级一般为115V，230V和400V。
由此可见，在进行海上油气田开发工程电力系统的设计时，除了依据“船舶设计手册”和“钢制海船规范”以外，还需要借鉴和参考适用于陆地电网和变配电站的有关设计手册，规范和标准，才能满足海上油气田开发工程电力系统设计的要求。
随着国民经济的持续发展和科学技术的不断提高，尤其是最近几年来计算机技术，微电子技术和通讯技术的发展，电力系统自动化技术也得到了迅速的发展。
电力系统的二次设备（包括测量仪表，信号系统，继电保护，自动装置，数据变换，数据传输和远动装置等）经过功能组合和优化设计，利用先进的计算机技术，现代电子技术，通讯技术和信号处理技术，实现了对电力系统的主要设备和输，配电线路的自动监视，测量，自动控制和微机保护，以及调度通讯等综合性的自动化功能。
由此可见海上油气田电力系统的设计是在船舶电力系统设计，电力工程设计以及电力系统自动化设计的基础上发展起来的。
因此在进行海上油气田开发工程设施上电力系统的设计和分析时，需要参考有关电力系统自动化方面的设计手册和相应的规范和标准。
四.海上油气田开发工程设施上的电力系统的构成
海上油气田开发工程设施上的电力系统主要是由被称为一次系统和二次系统的电气设备和元件组成。
一次系统的主要电气设备是：
发电，配电，变电，输电和用电设备组成。
二次系统的主要作用是保证电力系统和电气设备安全，可靠和优质运行的测量，控制，监控和管理。
它主要是由监视测量仪表，控制及信号元件，继电保护装置，自动装置和远动装置组成。
下面将介绍电力系统一次设备的类型和主要作用。
1.发电设备
电力系统的发电设备又划分为主发电机组和应急发电机组。
正常情况下，海上油气田的生产和生活的电力均由主发电机组提供。
如果由于某种原因主发电机不能工作，比如：
发生火灾或维修时，由应急发电机组向消防，安全，紧急逃生和生活等用电设施提供必要的电力。
发电机组原动机驱动设备的种类主要有：
1）柴油机发电机组；
2）双燃料透平发电机组；
3）双燃料柴油机发电机组。
海上油气田开发工程设施电力系统的电源装置除了上述提到的主发电机组和应急发电机组以外，为确保在各种紧急状态下，为通讯，消防和安全系统的紧急关断等设施提供必要电力的UPS（不间断电源装置）系统和直流24V系统。
2.配电装置
发电机组发出的电能经过电缆分别输送到海上油气田开发工程设施上配电间内的中/低压配电盘上。
再通过这些配电盘将电能输送给各种用电设备。
配电间内的配电装置有主（中压）配电盘，400V配电盘，电伴热配电盘和照明配电盘组成。
这些配电装置的主要作用是：
1）接受电能。
对发电机发出的电能进行测量，监视，保护和控制；
2）分配电能。
为本平台（浮式生产储油轮）上的各种不同用电设备和远距离的其它井口平台提供确保生产和生活所需的电力，并对用电设备提供保护，测量，操作和控制等方面的功能。
3.电压的变换
电能在使用和输送的过程中，根据海上油气田开发工程设施的实际情况需要使用各种不同容量，不同电压变比的电力变压器进行电压的转换，比如：
为平台上的低压电气设备提供电力的降压变压器；向远距离的井口平台输送电力时，为防止电能在长距离输送线路上电压下降的过高，需要使用提高电压的等级的升压变压器。
由于海上环境条件的特殊，以及规范的要求，海上油气田开发工程的电力系统一般使用的是干式变压器。
在通常情况下，变压器都安装在变压器间内。
4.电能的输送
电缆是海上油气田开发工程设施电力系统的重要组成之一，它担负着输送电能的重要任务，并将电源，配电装置，变压器和用电设备等连接成一个完整的有机体。
海上油气田开发工程设施电力系统中使用的电缆主要有两大类：
输送电能的动力电缆，其中包括平台与平台之间进行电力传输的海底电缆；以及传输各种信号的控制电缆。
5.用电设备
电力系统内的用电设备，主要是工艺流程和公用设施所需的电气设备，它们主要是：
电动机，电加热器和管线保温的电伴热带等；生活设施和安全系统的用电设备主要有：
通风设备，电炉，电冰箱，洗衣机，空调，冷库，照明，消防设施，信号灯和导航设施等。
第二节电力系统设计的范围
海上油气田开发工程设计电力系统设计的工作范围和内容主要是：
1.电力系统的设计，它主要包括：
1）整个油田的电站和供电方案的设计；
2）确定电力及配电系统中性点的接地方式，电压等级和频率；
3）海上油气田开发工程设施电力和配电系统设计；
4）选择主发电机和应急发电机组的容量和台数；
5）选择电力，照明和电伴热变压器的容量；配电装置的选型；
6）电力系统计算，其中包括：
短路电流计算，大电机起动压降计算和潮流分析等；
7）电力及配电系统的继电保护的设计；
8）电力设备的布置和电缆的选择等。
2.海上油气田开发工程电力系统的辅助系统，如：
导航系统，照明系统，电伴热系统和接地系统等的设计。
3.海上油气田电力及配电系统的改造设计。
4.负责或参与编制，补充，更新本专业使用的图集，通用设计，标准规范和规定等基础工作。
5.负责技术交底，处理施工中有关本专业的设计技术问题，并参与试运工作。
6.负责本专业“电力系统计算和分析”软件和计算机辅助设计的使用，推广和开发工作。
7.负责和参与本专业的新技术开发，推广及技术咨询工作。
注：
本手册编制的范围仅适用于海上油气田开发工程的浮式储油轮（FPSO），海上固定式和移动式平台的电气专业的设计。
第三节电力系统设计的原则
一.概述
电力系统的设计原则主要是指：
在进行海上油气田开发工程设施电力系统的设计时，特别在进行电气设备选型时，必须考虑海上油气田开发工程设施上电气设备的安装场所，海域和地理环境等要求。
由于海上油气田开发工程环境条件的特殊性，决定了对海上油气田开发工程电气设备的特殊要求，比如：
环境温度，电气设备的尺寸，重量，防护等级，防爆要求，电气参数等。
除此之外，海上油气田开发工程的电气设备安装场所的不同，环境条件的特殊，因此，遵循的规范和规则不同，要求的性能和指标也不相同。
这一节将主要介绍海上油气田开发工程设施电力系统设计时需要满足的工作条件和基本原则。
二.海上油气田开发工程的工作条件
海上油气田开发工程中的一般电气设备应在下面规定的工作条件下正常工作：
表4.1.3.1海上油气田开发工程电气设备正常工作的条件
环境因素
正常工作环境条件
周围空气温度最高值
+400C1）
周围空气温度最低值
+450C
海上潮湿空气影响
-250C2）
盐雾影响
有
油雾影响
有
霉菌影响
有
倾斜
有
摇摆3）
22.50
振动
22.50
冲击4）
有
1）+400C主要适用于海上油气田近海油田的电气设备，对于高于+450C的场所应有特殊考虑。
2）主要适用于安装在露天甲板及无保温措施的露天甲板舱室内的电气设备对于低于-250C的场所应有特殊考虑。
3）适用于海上移动式平台。
4）指平台正常工作时产生的冲击。
1.环境温度
电气设备的环境空气温度和初级冷却水温度如4.1.3.2所示；电子设备的环境空气的上限为550C。
表4.1.3.2环境温度
介质
部位
温度（0C）
海上移动设施及平台
海上固定平台
无限航区
除热带海区以外海区
长江口以南海区
长江口以北海区
空气
封闭处所内
0至45
0至40
5至45
0至40
温度超过450C（或400C）和低于00C的处所内
按这些处所的温度（注1）
按这些处所的温度（注1）
按这些处所的温度（注1）
按这些处所的温度（注1）
开敞甲板
-25至45
-25至40
-10至45
-25至40
水
水的冰点至32（注2）
水的冰点至32（注2）
水的冰点至32（注2）
水的冰点至32（注2）
注：
（1）例如：
泥浆搅拌池，循环泵舱在钻井，采油作业期间可能会出现600C的高温。
（2）由于盐和其它杂物的存在，海水的冰点低于00C。
2.湿度
为了使电气设备适应其工作环境的湿度，必须充分考虑其结构材料和绝缘处理。
3.倾斜角和摇摆
对于海上油气田开发工程移动式平台或设施的电气设备的倾斜摇摆的要求如下表所列：
表4.1.3.3倾斜角和摇摆
平台类型
倾斜角,摇摆
设备，组件
水面式平台（船式和驳船式平台）
自升式平台
柱稳式平台（半潜式和坐底式平台）
横向（0C）
纵向（0C）
任何方向倾斜角（0C）
任何方向倾斜角（0C）
横倾
横摇
纵倾
纵摇
倾斜
摇摆
倾斜
摇摆
应急电气设备，开关设备，电器和电子设备
22.5
22.5
10
10
15
15
22.5（25）
22.5
上列以外的设备，组件
15
22.5
5
7.5
10
15
15
22.5
注：
（1）对水面式平台（船式和驳船式平台）,纵倾,横倾可能同时出现。
（2）括号中的250C倾斜，仅适用于（半潜式和坐底式平台）上的应急发电机和应急蓄电池组。
4.振动和冲击
海上油气田开发设施上的电气设备应不受正常使用时可能产生的振动和冲击的影响，固定载流部件的螺钉和螺母应能有效地紧锁，使其不因振动而松脱。
必要时，对固定非载流部件的紧固件也应采取适当的措施，以保证在表4.1.3.4规定的振动试验条件下，无机械损伤和误动作。
表4.1.3.4振动和冲击
安装部位
频率范围/Hz
峰值
一般场所
2.0-13.2
13.2-100.0
位移1mm
加速度7m/s2
机舱和泵舱
2.0–25.0
25.0–100.0
位移1.6mm
加速度40m/s2
5.盐雾，油雾，霉菌，二氧化硫和硫化氢等化学活性物质
由于电气设备的使用环境会受到盐雾，油雾，霉菌，二氧化硫和硫化氢等化学活性物质的影响，所以必须充分考虑耐腐蚀和不使绝缘性能变坏的措施。
例如：
电气设备的材料和绝缘材料应考虑防盐雾，油雾，霉菌，二氧化硫和硫化氢等化学活性物质。
6.尺寸
由于海上油气田开发工程设施空间条件的限制，在不影响电气设备性能的情况下，其外形尺寸应尽量可能的小。
7.重量
在不影响性能和强度的条件下，电气设备的重量应尽可能的轻；对于人工不易搬动的设备，应考虑有便于搬运的结构设施。
三.电气参数
海上油气田开发工程设施上供电系统的主要电气参数有：
电流种类，配电系统，电压等级和频率等级等。
正确地选择合适的电气参数，可以保证供电系统的可靠性和经济性。
1.电流种类
海上油气田开发工程设施上供电系统常采用的有交流和直流两种电制。
由于交流电制具有许多优点，其重量，体积，电性能，操作和维修等指标都占有优势，所以海上油气田开发工程设施上优先采用的是交流电制。
一些特殊的海上油气田开发工程设施上，比如：
钻井平台（船）和带有起重设施的浮船吊等，采用的是交，直流两种电制。
2.配电系统
按IEC60092-201的规定，直流和交流配电系统是有区别的，其规定如下：
1）直流配电系统
下列配电系统可作为标准的配电系统：
（1）双线绝缘系统；
（2）以船体（或甲板）为回路的单线系统；
（3）一极接地的双线系统；
（4）中极接地但不以船体（或甲板）为回路的三线系统；
（5）中极接地并以船体（或甲板）为回路的三线系统。
2）交流配电系统
下列系统可作为标准的一次配电系统：
（1）三相三线绝缘系统；
（2）中性点接地的三相三线系统。
对于500V以下的所有电压，一次配电系统还可以采用下述系统：
（1）中性点接地但不以船体（或甲板）为回路的三相四线系统；
（2）单相双线绝缘系统；
（3）一极接地的单相双线系统。
下列系统可作为标准的二次配电系统：
（1）三相三线绝缘系统；
（2）中性点接地的三相三线系统；
对于500V以下的所有电压，二次配电系统还可以采用下述系统：
（1）中性点接地，但不以船体（或甲板）为回路的三相四线系统；
（2）单相双线绝缘系统；
（3）一极接地的单相双线系统；
（4）对照明和插座供电用的中线接地的单相双线系统；
（5）中性点接地，但不以船体（或甲板）为回路的单相三线系统。
除了上面介绍的这些配电系统外，各国的规范又有些具体的规定。
在进行电力系统设计时，在以规范和标准为依据的基础上，还应该尊重和考虑业主或操作者的具体要求。
例如：
中国船级社“钢制海船入级与建造规范”规定：
1600总吨及1600总吨以上的船舶动力，电热及照明系统，均不应采用利用船体作回路的配电系统。
又规定钢铝混合结构的船舶，严禁利用铝制部分作导电回路。
对于油船（舱）和化学品船（舱）等，必须注意其配电系统的特殊要求，它们的配电系统只限制在：
直流双线绝缘系统；
交流单相双线绝缘系统；
交流三相双线绝缘系统。
IEC60092-201推荐的船舶供电系统的交流电压和频率的具体要求可以参考表4.1.3.13。
3.频率
供电系统的频率，各规范均以50Hz和60Hz作为标准频率。
这一规定不包括弱电设备所需的特殊频率，以及井口平台上电潜泵和其它一些有特殊作用的变频装置所使用的特殊频率。
4.电压
目前各国的规范和标准对供电系统的额定电压和最高电压都有明确的规定，但各个国家的规范和标准之间有一定的差异，因此在进行海上油气田工程设施电力系统设计时，通常采用的标准有：
●IEC60092-201
●IEC60038
●国家标准GB156-93
这些规定和标准的详细要求一一列在了下面，供设计人员参考使用。
在进行电压等级的规定和标准的选用时，通常是根据海上油气田的业主或操作者的要求来选择，如果业主或操作者没有特殊要求的话，则可选用中国或IEC的标准来确定的。
1）IEC60092-201标准
（1）船舶供电系统直流电压的推荐值如表4.1.3.5所示：
表4.1.3.5供电系统的直流电压
用途
额定电压
最高电压
动力
炊具，电热器
照明和插座
110，220
110，220
24，110，220
500
250
250
（2）船舶供电系统交流电压和频率的推荐值如表4.1.3.6所示：
表4.1.3.6船舶供电系统的交流电压和频率
用途
额定电压/V
额定频率
最高电压/V
1.可靠固定和永久连接的动力，电热和炊具设备。
由插座供电的，以其本身的固定而永久接地的或以含有一（其尺寸符合IEC60092-401号出版物：
“安装和完工试验表”I的）连接接地导线的专用接线接地设备。
三相
120
2201）
2401）
3802）
4152）
440
6603）4）
30004）/33004）60004）/66004）
100004）/110004）
单相
120
2201）
2401）
三相
50
50
50
50
50
-
50
50
50
50
单相
50
50
50
三相
60
60
-
-
-
60
60
60
60
60
单相
60
60
-
三相
1000
1000
1000
1000
1000
1000
1000
11000
11000
单相
500
500
500
2.固定照明，包括插座。
这些插座用于项1和3未述及的用途，但拟用于具有加强绝缘或双重绝缘的设备或以含有一（其尺寸符合IEC60092-401号出版物：
“安装和完工试验表”I的）连接接地导线的专用接线接地设备。
单相
120
2201）
2401）
单相
50
50
50
单相
60
60
-
单相
250
250
250
3.用于需特别当心触电处的插座：
a）用或不用隔离变压器供电；
b）用一台安全隔离变压器仅对一个用电器具供电的场合。
这些系统的两根导线均应对地绝缘。
单相
24
120
2201）
2401）
单相
50
50
50
50
单相
60
60
60
-
单相
55
250
250
250
1）将来仅用于230V。
2）将来仅用于400V。
3）将来仅用于690V。
4）仅适用于动力。
2）IEC60038标准
（1）“标称电压在100V至1000V之间的交流系统的电压”如表4.1.3.7所示：
表4.1.3.7100V至1000V之间的交流系统的电压等级
三相四线或三相三线系统
单相三线系统
标称电压（V）
标称电压（V）
-
230/4001）
277/4802）
400/6901）
1000
120/240
-
-
-
-
注：
标称电压：
系统或设备的的设计电压。
1）现有的标称电压220/380V和240/415V包涵在推荐的230/400V内了。
IEC-60038出版物公布以后可以有过渡期，这个过渡期要尽可能的短，但不能超过20年。
在这个过渡期内，各个国家的具有220/380V电气设备的供货商，首先将设备的电压限制在230/400V的+6%和-10%以内；具有240/415V电气设备的供货商，将设备的电压限制在230/400V的+10%和-6%以内。
在这个过渡期的最后将230/400V的误差控制在10%以内。
上面的这些建议同样适合现有的380/660V电压值朝着400/690V电压过渡的步骤。
2）不能与230/400和400/690同时使用。
（2）“电压大于1000V不超过35kV的交流三相系统和相关设备的电压”如表4.1.3.8所示：
表4.1.3.81000V和35kV交流三相系统和相关设备的电压
50Hz和60Hz
60Hz
（北美洲国家的习惯作法）
设备的最高电压（kV）
标称系统电压（kV）
设备的最高电压（kV）
标称系统电压（kV）
3.61）
7.21）
12
-
-
-
（17.5）
24
-
363）
-
40.53）
3.31）
6.61）
11
-
-
-
-
22
-
333）
-
-
31）
61）
10
-
-
-
（15）
20
-
-
-
353）
4.41）
-
-
13.22）
13.972）
14.521）
-
-
26.42）
-
36.52）
-
4.161）
-
-
12.472）
13.22）
13.81）
-
-
24.942）
-
34.52）
-
设备的最高电压：
考虑到设备的绝缘性能和与最高电压有关的其他性能（如变压器磁化电流及电容器的损耗）所确定的最高运行电压，其数值等于所在系统的系统最高电压。
注：
1.电气设备的最高电压只在系统的标称电压高于1000V（1140）V时才标出来，实际上，由于考虑到某些电气设备对电压的灵敏特性（如电容器的损耗，变压器的磁化电流等），当系统运行电压达到电气设备的最高电压，且不能保证设备的正常运行时，该设备的有关标准应规定能保证该设备的正常进行的电压极限。
2．对于在标准电压不超过1000V（1140）V的电力系统中使用的电气设备，其运行和绝缘电压均应根据系统标称电压来规定。
1）这些值不适合于公用配电系统。
2）这些系统一般是指四线系统。
3）这些值的统一正在考虑之中。
3）中国国家标准GB156-93“标准电压”规定的系统标称电压和电气设备的额定电压的详细规定综合如表4.1.3.9所示：
表4.1.3.9三相交流电网和电力设备的额定电压
类别
电网和用电设备额定电压/kV
发电机额定电压/kV
电力变压器额定电压/kV
一次绕组
二次绕组
低压
0.38
0.4
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